大直径PTT/PET皮芯型复合纤维的性能研究

胡婷婷，马海军，胡祖明，杨西峰

(1.东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海201620;2.江苏南通新帝克纺织化纤有限公司，南通226003)

大直径PTT/PET皮芯型复合纤维的性能研究

胡婷婷1，马海军2，胡祖明1，杨西峰2

(1.东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海201620;2.江苏南通新帝克纺织化纤有限公司，南通226003)

采用一定比例的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)进行复合纺丝纺制以PTT为皮，PET为芯的大直径PTT/PET皮芯型复合纤维，研究了熔体温度、冷却水温度、复合比对PTT/PET复合纤维力学性能和弹性回复性能的影响。结果表明:较佳的PTT和PET的熔体温度分别为265℃和285℃，冷却水温度为50～60℃，PTT/PET质量比为50/50;随着PTT含量增加，PTT/PET复合纤维的断裂强度降低，断裂伸长率增加，弹性回复率增大。

聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维 聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维 复合纺丝 力学性能

大直径纤维是指直径为0.08～5 mm的单根纤维。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维和聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纤维同属聚酯类纤维［1］。由于大分子化学结构中亚甲基的个数存在差异，PET纤维分子链具有较高的刚性，较高的断裂强度、弹性模量、玻璃化转变温度和熔点［2］;而PTT纤维化学结构中3个亚甲基所赋予的奇碳效应，使其具有 PET纤维所不能比拟的弹性［3－4］。通过复合纺丝制备 PTT/PET皮芯型复合纤维，可改善纤维性能，提高其使用效果。大直径PTT/PET皮芯型复合纤维具有优良的力学性能和回弹性，在产业用纺织品领域具有广阔的应用前景。目前，国内对大直径PTT/PET皮芯型复合纤维的研究较少。作者研究了不同的复合比例、熔体温度、冷却成形条件等主要工艺对PTT/PET皮芯型复合纤维结构及性能的影响，为制备以PTT为皮、PET为芯的大直径PTT/PET皮芯型复合纤维提供了一定的理论依据。

1 实验

1.1 原料

PET切片:玻璃化转变温度(Tg)为67℃，熔点为252℃，特性黏数(［η］)1.05 dL/g，中国石化上海石化股份有限公司产;PTT切片:Tg为54 ℃，熔点为223 ℃，［η］为1.3 dL/g，美国杜邦(中国)公司产。

1.2 工艺流程与主要工艺

采用复合纺丝法生产PTT/PET复合纤维，其主要工艺参数为:以PTT为皮，PET为芯，皮/芯复合比例分别为60/40，50/50，40/60，拉伸倍率5.0，一级拉伸占比85%，热水拉伸温度90℃，热风拉伸温度180℃，热定型温度190℃，纺丝速度120 m/min，纤维直径0.20 mm。

大直径PTT/PET皮芯型复合纤维的生产工艺流程图如图1所示。

图1 PTT/PET皮芯型复合纤维生产工艺流程Fig.1 Flow chart of PTT/PET sheath-core composite fiber production

1.3 测试

差示扫描量热仪(DSC)分析:采用德国耐驰仪器制造有限公司的200F3差示扫描量热仪进行测试。室温～300℃，升温速率10℃/min，氮气气氛，氮气流量20 mL/min。

力学性能:采用莱州市电子仪器有限公司YG061J型电子单纱强力仪进行测试。量程130 N，拉伸速度200 mm/min，试样定长250 mm，每组试样测10次的平均值。

声速值:采用东华大学SCY-Ⅲ型声速取向测量仪进行测试。测试条件:温度为25℃，相对湿度为65%，预加张力0.098 cN/dtex。试样在温度为25℃，相对湿度为65%的标准大气压条件下放置10 h。

动态力学性能:采用美国流变仪公司的动态热机械分析仪进行测试。测试频率1 Hz，升温速率5℃/min，温度范围25～200℃。

2 结果与讨论

2.1 熔体温度

纺丝温度的选择主要是根据切片原料质量和纺丝是否顺利等因素决定的［5］。PTT切片的熔点为223℃，PET聚合物的熔点为252℃，在实验中PET切片和PTT切片分别经过螺杆熔融挤出，通过复合纺丝组件进行纺丝。考虑到PET和PTT各自的特点，主、副螺杆所采用的纺丝温度是不同的，但当两熔体进入复合纺丝组件时，各自温度受到干扰，两者温度发生热交换，温度的差异也有逐渐减小的趋势。根据DSC数据及相关参考文献［6］的分析。在其他工艺参数不变情况下，熔体温度的设定见表1。

表1 不同熔体温度下PTT/PET复合纤维的力学性能Tab.1 Mechanical properties of PTT/PET composite fiber at different melt temperature

从表1可以看出，熔体温度对纺丝稳定性及复合纤维的力学性能具有一定的影响，当PTT熔体温度较低时，PTT/PET复合纤维力学性能较低，同时纺丝稳定性较差，这可能是由于两相熔体温度差异较大引起的纺丝波动。当PTT和PET熔体温度分别为265，285℃和265，290℃时，纺丝稳定性较好，同时复合纤维具有良好的力学性能，考虑到生产成本及节能降耗，PTT和PET熔体温度分别设定为265，285℃。

2.2 冷却水温度

由图2可知，PTT/PET复合纤维的力学性能随着冷却水温度改变而变化，PTT纤维的最佳冷却水温度约为50℃，PET纤维的最佳冷却水温度约为70℃。当PTT/PET质量比不同时，复合纤维的最佳冷却温度也不相同。综合考虑，适宜的PTT/PET冷却水温度为50～60℃。

图2 冷却水温度对复合纤维力学性能的影响Fig.2 Effect of cooling water temperature on mechanical properties of PTT/PET composite fiber

2.3 复合比

由图3可看出，PTT/PET皮芯型复合纤维在220～226℃都有一个峰值，是PTT组分的熔融峰。另一个峰在254℃，是PET组分的熔融峰。从图3还可以看出，不同复合比的PTT/PET复合纤维中，两组分热焓值不同。热焓值的大小可以反映出物质结晶度的高低。PTT组分含量越大，PTT组分的峰越尖锐，峰面积越大。这说明组分的含量越大，该组分的结晶度也越大，组分复合比对纤维的结构有影响。当PTT/PET质量比为60/40时，两组分的结晶度相近。

图3 不同复合比的PTT/PET复合纤维的DSC曲线Fig.3 DSC traces for PTT/PET composite fiber with different ratios

由表2可知，随着PTT组分含量的增加，大直径PTT/PET皮芯型复合纤维的实测声速值(也即复合纤维的取向度)下降。造成这种现象的原因主要是PTT的大分子构型呈Z字型，而PET的大分子构型呈直链状，因此PTT的取向低于PET的取向，当PTT组分含量增加时，PTT/PET复合纤维的取向度也就降低。同样，随PTT组分含量的增加，复合纤维的断裂强度呈明显下降趋势，而断裂伸长率则呈明显上升趋势。这是因为PTT材料具有良好的伸长性能，而断裂强度较低，PET材料则具有良好的拉伸强度，但断裂伸长率较低，随着模量低的PTT组分含量的增加，PTT/PET复合纤维就会表现出更多的PTT组分的特性，断裂强度降低，断裂伸长率增加。

表2 不同复合比的PTT/PET复合纤维的力学性能Tab.2 Mechanical properties of PTT/PET sheath-core composite fiber with different ratios

图4 不同复合比的PTT/PET复合纤维的弹性回复性能Fig.4 Tensile elastic recovery of PTT/PET sheath-core composite fiber with different ratios

从图4可以看出，PTT/PET复合纤维的弹性回复性能与PTT、PET两组份的比例相关。随着PTT组分含量的增加，PTT/PET复合纤维的弹性回复率变大。随着定伸长从5%增加15%，纯PTT纤维表现出较好的弹性回复性，相关的研究也已经证明了PTT的优异弹性［7－11］。其优异弹性的来源是其内部的螺旋大分子链结构。在任何定伸长情况下，复合纤维的弹性回复性都介于PTT和PET之间。

储能模量与试样在每周期中贮存的弹性成正比，反映材料粘弹性中的弹性成分。储能模量表征的是材料变形后回弹的指标。从图5可以看出，随着PTT含量的增加，PTT/PET复合纤维的储能模量增大。这个趋势与图4的变化趋势相吻合。因此，PTT/PET复合纤维中，适宜的 PTT/PET质量比为50/50。

图5 不同复合比的PTT/PET复合纤维的粘弹性能Fig.5 Viscoelasticity of PTT/PET composite fiber with different ratios

3 结论

a.熔体温度对复合纤维的纺丝稳定性及力学性能具有较大的影响，PTT/PET适宜熔体温度为275/285℃。

b.大直径PTT/PET皮芯型复合纤维的适宜熔体冷却温度为50～60℃。

c.PTT/PET复合比是影响复合纤维结构及性能的主要因素，随着 PTT组分含量的增大，PTT/PET复合纤维的断裂强度降低，断裂伸长率增加，弹性回复率增大。PTT/PET复合纤维的适宜比为50/50。

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Properties of large-diameter PTT/PET sheath-core composite fiber

Hu Tingting1，Ma Haijun2，Hu Zuming1，Yang Xifeng2
(1.State Key Laboratory of Fibers Modification，Donghua University，Shanghai201620;2.Nantong Newtec Textile＆Chemical Fiber Co.，Ltd，Nantong226003)

A large-diameter sheath-core composite fiber with polytrimethylene terephthalate(PTT)as the sheath and polyethylene terephthalate(PET)as the core was prepared from PTT and PET at different ratios via composite spinning process.The effects of melt temperature，cooling water temperature and sheath-core ratio on the mechanical properties and elastic recovery of PTT/PET composite fiber were studied.The results showed that the PTT and PET melt temperature should be reasonably controlled as 265℃ and 285℃，respectively，the cooling water temperature as 50－60℃ and PTT/PET mass ratio as 50/50;and the breaking strength of PTT/PET composite fiber was decreased，the elongation at break was increased，and the elastic recovery was increased when PTT content was increased.

polytrimethylene terephthalate fiber;polyethylene terephthalate fiber;composite spinning;mechanical properties

TQ342.2

A

1001-0041(2012)04-0038-04

2011-07-11;修改稿收到日期:2012-05-20。

胡婷婷(1987—)，女，硕士研究生，研究方向为纤维材料改性。E-mail:htt061008@163.com。